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Dokumentenidentifikation DE102005050640A1 03.05.2007
Titel Schiffsantrieb
Anmelder Voith Turbo GmbH & Co. KG, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Cylius, Detlef, 91583 Diebach, DE;
Tietz, Maik, 74564 Crailsheim, DE;
Hoffeld, Harald, 74564 Crailsheim, DE
Vertreter Dr. Weitzel & Partner, 89522 Heidenheim
DE-Anmeldedatum 20.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050640
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse B63H 23/08(2006.01)A, F, I, 20051020, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B63H 23/26(2006.01)A, L, I, 20051020, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb, umfassend
- eine Antriebsmaschine
- ein Verteilergetriebe
- zwei Abtriebswellen
- je ein Propulsionsorgan auf jeder Abtriebswelle.
Der erfindungsgemäße Schiffsantrieb ist gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- Zwischen dem Leistungsverteilergetriebe und jedem Propulsionsorgan ist eine hydrodynamische Kupplung geschaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einer Antriebsmaschine, gegebenenfalls einem Verteilergetriebe sowie zwei Abtriebswellen. Auf jeder Abtriebswelle sitzt ein Propulsionsorgan.

Mit einem solchen Schiffsantrieb lässt sich eine verhältnismäßig große Flexibilität des Betriebes erzielen. Mit den beiden Propulsionsorganen sind unterschiedliche Fahrzustände möglich.

Als Antriebsmaschine kommt jede Art von Kraftmaschine in Betracht, beispielsweise ein Dieselmotor oder eine Gasturbine oder ein Elektromotor. Auch können zwei oder mehrere Antriebsmaschinen vorgesehen werden, die mit dem Verteilergetriebe in Triebverbindung stehen. Das Verteilergetriebe dient als Bindeglied zwischen Hauptgetrieben, die den Antriebsmaschinen nachgeschaltet sind.

Die Propulsionsorgane können Schraubenpropeller oder sonstige Aggregate sein.

Schiffsantriebe der genannten Art sind für eine bestimmte Maximalgeschwindigkeit für Geradeausfahrt ausgelegt, zum Beispiel bezüglich der Festigkeit der Bauteile.

Während einer Kurvenfahrt ändert sich die Last der beiden Propulsionsorgane; die beiden Propulsionsorgane werden unterschiedlich stark belastet. Das während der Kurvenfahrt innenliegende Propulsionsorgan nimmt nämlich ein deutlich höheres Drehmoment auf, als bei gleicher Geschwindigkeit bei Geradeausfahrt. Das außenliegende Propulsionsorgan hingegen nimmt bei Kurvenfahrt ein deutlich geringeres Drehmoment auf, als dies bei gleicher Geschwindigkeit bei Geradeausfahrt der Fall wäre. Das höhere Drehmoment des innenliegenden Schiffspropellers kann im Hinblick auf die Festigkeit des gesamten Schiffsantriebes gefährlich werden. Aus diesem Grunde muss bei Kurvenfahrt die Drehzahl der Antriebsmaschine zurückgenommen werden, um eine Überlastung des Antriebsstranges durch das innenliegende Propulsionsorgan, und damit auch des gesamten Schiffsantriebes zu vermeiden. Dies bedeutet, dass die an sich verfügbare Leistung der Antriebsmaschine beziehungsweise Antriebsmaschinen bei Kurvenfahrt nicht genutzt werden kann, und dass bei Kurvenfahrt die Geschwindigkeit zurückgenommen werden muss. Der gesamte Schiffsantrieb wird somit bei Kurvenfahrt nicht im selben Maße genutzt, wie dies bei Geradeausfahrt der Fall ist. Handelt es sich bei den Propulsionsorganen um Verstellpropeller, so kann auch die Anstellung der Propellerblätter des inneren Propellers reduziert werden. Dies verringt ebenfalls die Belastung des inneren Propellers, hat jedoch dieselben Nachteile wie bei einer Reduzierung der Gesamtleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schiffsantrieb der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass die genannten Nachteile vermieden werden. Dem gemäß sollen bei Kurvenfahrt das Drehmoment und damit die Belastung des innenliegenden Propulsionsorganes gesenkt, und das Drehmoment und damit die Belastung des außenliegenden Propulsionsorganes erhöht werden. Ein solcher Ausgleich soll automatisch vorgenommen werden, das heißt ohne dass es einer besonderen Steuervorrichtung bedarf.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.

Dem gemäß wird dem einzelnen Propulsionsorgan eine hydrodynamische Kupplung vorgeschaltet. Solche Kupplungen umfassen bekanntlich ein Antriebsrad, auch Pumpenrad genannt, und ein Abtriebsrad, auch Turbinenrad genannt. Beide bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum. Sie sind im Betrieb mit einem fließfähigen Medium gefüllt, beispielsweise mit Öl. Sie werden an einer Stelle im Antriebsstrang angeordnet, an welcher die Leistungsteilung bereits stattgefunden hat. Dies bedeutet, dass sie im Kraftfluss im allgemeinen unmittelbar vor dem Propulsionsorgan sitzen.

Anhand der folgenden Beispiele ist erkennbar, was mit Kupplungen der genannten Art erreicht werden kann, verglichen mit einem Schiffsantrieb gemäß dem Stande der Technik.

Schiffsantrieb gemäß Stand der Technik

  • – Der Schiffsantrieb umfasst einen Antriebsmotor, ein Leistungsverzweigungsgetriebe, zwei diesem nachgeschaltete Wellen mit jeweils einem Propeller.
  • – Das Schiff hat eine Geschwindigkeit von 14,5 kn.
  • – Das Schiff schwenkt um 10 Grad aus der Fahrtrichtung und tritt in eine Kurvenfahrt ein.
  • – Drehmoment und Last des bei Kurvenfahrt innenliegenden Propellers steigen um 70 Prozent, während Drehmoment und Last des außenliegenden Propellers um 20 Prozent abfallen. Damit ergibt sich ein Lastverhältnis von ca. 2,1.

Schiffsantrieb gemäß der Erfindung

  • – Der Schiffsantrieb ist aufgebaut wie beim Stande der Technik, jedoch ist jedem Propeller eine hydrodynamische Kupplung vorgeschaltet.
  • – Die Betriebsdaten sind zunächst dieselben.
  • – Während der Kurvenfahrt fällt die Drehzahl des innenliegenden Propellers um 10 Prozent ab, während Drehmoment und Last des außenliegenden und des innenliegenden Propellers um 10 Prozent ansteigen. Auf beide Propeller wirken etwa die gleichen Drehmomente.

Es ist anzustreben, die Anlage derart auszulegen, dass bei Kurvenfahrt auf beide Proplutionsorgane ein gleich großes Drehmoment und damit auch eine gleich große Last einwirken.

Die Erfindung sowie der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

1 zeigt schematisch in Draufsicht ein Schiff mit einem Antrieb gemäß der Erfindung.

2 zeigt schematisch einen Schiffsantrieb gemäß dem Stande der Technik.

3 zeigt ein Diagramm, bei welchem der Verlauf der Drehmomente über den Drehzahlen dargestellt ist, und zwar für ein Schiffsgetriebe ohne Turbokupplung und für ein Schiffsgetriebe mit Turbokupplung.

Das in 1 gezeigte Schiff 1 weist einen Antrieb auf, der die folgenden Aggregate umfasst:

Eine Gasturbine 2 leitet Drehmoment in ein Leistungsverteilergetriebe 3 ein. Das Leistungsverteilergetriebe 3 teilt Drehmoment in zwei Antriebsstränge auf, nämlich einen ersten Antriebsstrang 4.1 und einen zweiten Antriebsstrang 4.2. Die beiden Antriebsstränge sind gleich aufgebaut. Sie enthalten dieselben Aggregate. Dabei handelt es sich jeweils um eine hydrodynamische Kupplung 5.1 beziehungsweise 5.2, um ein Untersetzungsgetriebe 6.1, 6.2, eine Abtriebswelle 7.1, 7.2, einen Elektromotor 8.1, 8.2 sowie einen Propeller 9.1, 9.2 mit feststehenden Schaufelblättern.

Statt der Gasturbine könnte auch eine andere Art von Antriebsmaschine gewählt werden, beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Elektromotor. Auch ist es denkbar, zwei oder mehrere Antriebsmaschinen zu verwenden.

Das Leistungsverteilergetriebe 3 gibt Drehmoment an die beiden Antriebsstränge 4.1, 4.2 ab. Hier kommt zunächst jeweils eine hydrodynamische Kupplung 5.1 beziehungsweise 5.2. Diese sind in üblicher Weise aufgebaut. Jede hydrodynamische Kupplung umfasst ein Pumpenrad sowie ein Turbinenrad. Diese beiden bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum. Dabei kann es sich bei den Kupplungen 5.1 und 5.2 um solche mit einer „steifen" Charakteristik handeln, aber auch mit einer „elastischen" Charakteristik. Kupplungen mit steifer Charakteristik sind zum Beispiel solche, bei welchen die Schaufeln schräg gestellt sind. Kupplungen mit elastischer Charakteristik sind zum Beispiel solche, bei denen die Schaufeln unter einem Winkel von 90° zur Radialebene angeordnet sind. Auch lässt sich die Steifigkeit bzw. Elastizität durch Wahl des Füllungsgrades oder der Größe der Kupplung wählen.

Auch können die Kupplungen regelbar oder nicht regelbar sein. Sind sie nicht regelbar, so bleibt der Füllungsgrad der Kupplung im Normalbetrieb unverändert.

Den beiden Kupplungen 5.1 und 5.2 ist jeweils ein Getriebe 6.1, 6.2 nachgeschaltet. Diese beiden Getriebe haben zwei Funktionen: zum einen arbeiten sie als Untersetzungsgetriebe, um die hohe Drehzahl von den hydrodynamischen Kupplungen 5.1 und 5.2 auf eine niedrigere Drehzahl zu bringen, so wie bei Schiffsschrauben notwendig und üblich. Zum anderen dienen sie aber auch dazu, den gegenseitigen Abstand der nachfolgenden Abtriebswellen 7.1 und 7.2 und damit der beiden Propeller 9.1, 9.2 zu definieren.

Im vorliegenden Falle befinden sich die beiden hydrodynamischen Kupplungen 5.1, 5.2 zwischen dem Leistungsverteilergetriebe 3 und den beiden Getrieben 6.1, 6.2. Es ist aber auch möglich, die beiden hydrodynamischen Kupplungen 5.1 und 5.2 den beiden Getrieben 6.1, 6.2 nachzuschalten.

Bei der Ausführungsform gemäß dem Stande der Technik erkennt man wiederum eine Gasturbine 2, ein Leistungsverteilergetriebe 3, zwei Untersetzungsgetriebe 6.1, 6.2, zwei hydrodynamische Kupplungen 5.1, 5.2 sowie zwei Antriebsmotoren 10.1, 10.2.

Es handelt sich somit um drei Antriebsmaschinen, nämlich die Gasturbine 2 sowie die Antriebsmotoren 10.1, 10.2, die von jeglicher Bauart sein können.

Die Gasturbine 2 kann für sich alleine Drehmoment erzeugen, das über die beiden Abtriebswellen 7.1, 7.2 den Propellern 9.1, 9.2 zugeleitet werden. Zusätzlich oder ebenfalls für sich alleine können die beiden Abtriebsmotoren 10.1, 10.2 arbeiten.

Auch bei dieser vorbekannten Ausführungsform sind die beiden hydrodynamischen Kupplungen 5.1, 5.2 vorhanden. Jedoch sind sie im Gegensatz zur Erfindung nicht dem Leistungsverteilergetriebe 3 nachgeschaltet.

Aus dem in 3 gezeigten Diagramm erkennt man folgendes: Auf der Ordinate des Drehmoment aufgetragen, auf der Abszisse die Drehzahl.

Die Kurven betreffen zwei Schiffsgetriebe, nämlich ein Getriebe ohne Turbokupplung, und ein Getriebe mit Turbokupplungen, wobei das Getriebe mit Turbokupplungen bei gleicher Maximalbelastung des Backbord-Antriebsstranges ein deutlich höheres Summen-Antriebsmoment ergibt.

Die einzelnen Kurven zeigen folgendes:

  • (a) Kennlinie der Turbokupplungen im unteren Drehzahlbereich
  • (b) Kennlinie der Turbokupplungen im höheren Drehzahlbereich
  • (c) Drehmomentgrenze (je Antriebsstrang)
  • (d) Drehmoment Steuerbord ohne Turbokupplung
  • (e) Drehmoment Steuerbord mit Turbokupplung
  • (f) Drehmomentgrenze Leistungsverteilgetriebe (Summe der Antriebsleistungen)
  • (g) Drehmoment Gasturbine
  • (h) Drehmoment Backbord mit Turbokupplung
  • (i) Drehmoment Backbord ohne Turbokupplung
  • (j) Summe der Drehmomente mit Turbokupplung
  • (k) Summe der Drehmomente ohne Turbokupplung

1
Schiff
2
Gasturbine
3
Leistungsverteilergetriebe
4.1
Antriebsstrang
4.2
Antriebsstrang
5.1
hydrodynamische Kupplung
5.2
hydrodynamische Kupplung
6.1
Untersetzungsgetriebe
6.2
Untersetzungsgetriebe
7.1
Abtriebswelle
7.2
Abtriebswelle
9.1
Propeller
9.2
Propeller
10.1
Antriebsmaschine
10.2
Antriebsmaschine


Anspruch[de]
Schiffsantrieb, umfassend

1.1 eine Antriebsmaschine (2, 10.1, 10.2)

1.2 ein Verteilergetriebe (3)

1.3 zwei Abtriebswellen (7.1, 7.2)

1.4 je ein Propulsionsorgan (9.1, 9.2) auf jeder Abtriebswelle (7.1, 7.2) gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1.5 zwischen dem Leistungsverteilergetriebe (3) und jedem Propulsionsorgan (9.1, 9.2) ist eine hydrodynamische Kupplung (5.1, 5.2) geschaltet.
Schiffsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupf der hydrodynamischen Kupplungen (5.1, 5.2) bei einer Belastung, die dem zweifachen Nennmoment entspricht, mindestens dreimal so groß ist, wie der Schlupf bei Nenndrehmoment. Schiffsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlupfdifferenz zwischen den hydrodynamischen Kupplungen (5.1, 5.2) bei maximaler Belastung größer als 4 % ist. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die höher belastete hydrodynamische Kupplung beim zweifachen Nennmoment gegenüber der niedriger belasteten hydrodynamischen Kupplung einen um mindestens 4 % größeren Schlupf hat. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (2) eine Gasturbine ist. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (2) ein Elektromotor oder ein Dieselmotor ist. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Propulsionsorgan ein Propeller mit feststehenden Rotorblättern ist. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Propulsionsorgang ein Propeller mit verstellbaren Rotorblättern ist. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamischen Kupplungen (5.1, 5.2) Kupplungen mit geraden Schaufeln sind. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamischen Kupplungen (5.1, 5.2) Kupplungen mit schrägen Schaufeln sind.






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